-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren zumindest eines Bauteils, insbesondere eines medizinischen Geräts. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Speichermedium mit einem entsprechenden Programmcode.
-
Es ist bekannt, dass beispielsweise mittels Finite-Elemente-Methoden beziehungsweise -Modellen physikalische Phänomene in entsprechenden Entwicklungs- und/oder Simulationsumgebungen mit sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung modelliert und simuliert werden können. Nachteilig ist dabei, dass durch die hohe Auflösung und Genauigkeit ein hoher Berechnungsaufwand entsteht, da die zur Berechnung oder Simulation des Phänomens oder Modells notwendige Rechenzeit mit der Auflösung und Simulationsgenauigkeit ansteigt. So können beispielsweise Berechnungen wie etwa eine Modalanalyse je nach Modellkomplexität auch mit heutzutage modernen Rechnern oftmals mehrere Stunden oder Tage beanspruchen, wodurch Entwicklungsprozesse, bei denen eine Vielzahl von Variationen, Veränderungen und Iterationen beispielsweise eines bestimmten Bauteils simuliert werden müssen, sehr langwierig, energie- und kostenintensiv sind.
-
Ein gänzlich anderes bekanntes Simulationsgebiet befasst sich mit Echtzeitsimulationen, welche sich dadurch auszeichnen, dass jeweilige Simulationsergebnisse, zumindest im Wesentlichen, ebenso schnell berechnet beziehungsweise produziert werden, wie die entsprechenden physikalischen Phänomene in der Realität ablaufen oder ablaufen würden. Bekannte herkömmliche Entwicklungsumgebungen für Echtzeitsimulationen sind zudem auf gänzlich andere Ansprüche und Anwendungsfälle, beispielsweise einfache Starrkörpersimulationen, ausgerichtet als Finite-Elemente-Simulationen. Zudem bieten bekannte Entwicklungsumgebungen für Echtzeitsimulationen im Vergleich zu solchen für Finite-Elemente-Modellen üblicherweise eine ungleich geringere Flexibilität, beispielsweise hinsichtlich dynamischer Prozesse und Abläufe.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vereinfachte und verbesserte Entwicklung von Bauteilen mittels Simulation zu ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen sowie in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegeben.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Simulieren zumindest eines Bauteils, insbesondere eines medizinischen Geräts, wird zunächst ein eine Vielzahl von Punkten oder Knoten umfassendes Detailmodell des Bauteils bereitgestellt. Dieses Detailmodell kann insbesondere in einer Entwicklungs- und/oder Berechnungsumgebung für detaillierte, hochaufgelöste Modelle, insbesondere Finite-Elemente-Modelle, erzeugt worden sein. Bevorzugt kann es sich bei dem Detailmodell also um ein Finite-Elemente-Modell handeln. Das Detailmodell kann dabei beispielsweise mehrere tausend oder auch mehrere hunderttausend Punkte oder Knoten umfassen. Aus dem Detailmodell wird dann auf Basis von aus der Vielzahl von Punkten des Detailmodells ausgewählten Auswahlpunkten mittels eines Modellreduktionsverfahrens beziehungsweise eines Modellordnungsreduktionsverfahrens ein komplexitätsreduziertes Modell des Bauteils generiert. Das komplexitätsreduzierte Modell wird im Folgenden auch kurz als reduziertes Modell bezeichnet. Die Anzahl der Punkte oder Knoten dieses reduzierten Modells kann beispielsweise in der Größenordnung von zehn oder einhundert Punkten liegen. Das generierte komplexitätsreduzierte Modell wird dann in eine Echtzeitsimulationsanwendung oder -umgebung importiert. In dieser Echtzeitsimulationsanwendung wird das Bauteil auf Basis des komplexitätsreduzierten Modells in Echtzeit simuliert.
-
Mit anderen Worten wird durch das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren also ein einerseits zwar sehr genaues, aber andererseits sehr rechenzeitaufwändiges Detailmodell in ein reduziertes, echtzeitfähiges Modell umgewandelt. Das reduzierte Modell zeichnet sich dadurch aus, dass seine, insbesondere räumliche, Auflösung geringer ist als diejenige des Detailmodells und daher schneller berechnet und simuliert werden kann. Über die Reduktion der Auflösung hinaus geht mit dem reduzierten Modell kein weiterer Genauigkeitsverlust einher.
-
Das Generieren des reduzierten Modells kann beispielsweise ein Generieren, Erzeugen und/oder Exportieren eines Differenzialgleichungssystems, insbesondere eines Zustandsraummodells (State-Space Modell), welches ein physikalisches System des Bauteils beschreibt, umfassen. Das reduzierte Modell kann dann in der Echtzeitsimulationsanwendung beispielsweise durch Anwendung numerischer Lösungsverfahren auf das Zustandsraummodell simuliert werden. Das Generieren des reduzierten Modells kann beispielsweise als Projektion einer hochdimensionalen Matrix auf eine niedrigerdimensionale Matrix oder einen niedrigerdimensionalen Raum aufgefasst werden.
-
Eine Echtzeitsimulation des Bauteils, das heißt eine Simulation des Bauteils in Echtzeit, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verhalten oder eine Reaktion des Bauteils, beispielsweise auf eine externe Anregung, ebenso schnell verzögerungsfrei berechnet und simuliert wird, wie das entsprechende Verhalten oder die entsprechende Reaktion auch bei einem realen physischen Bauteil auftreten oder ablaufen würde. Ein Beobachter kann demnach also das in Echtzeit simulierte Bauteil sowie dessen Reaktionen, Verhaltensweisen und Eigenschaften ohne, oder zumindest ohne signifikante oder wahrnehmbare, zeitliche Verzögerungen beobachten, erfassen und analysieren. Dass die Berechnung ebenso schnell wie die entsprechenden realen physikalischen Vorgänge erfolgt oder abläuft, bezieht sich dabei insbesondere auf eine Skala typischer menschlicher Wahrnehmungsfähigkeit, für die beispielsweise Vorgänge mit Zeitdauern in der Größenordnung von einigen Nanosekunden ununterscheidbar und damit ebenso schnell sind wie Vorgänge mit einer Zeitdauer in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden.
-
Die vorliegende Erfindung adressiert insbesondere die Modellierung und Simulation von Bauteilen und damit zusammenhängenden Phänomenen aus den Bereichen Mechanik, Thermik, Elektrik, Magnetik, Hydraulik und Kombinationen davon, die sich durch gewöhnliche Differenzialgleichungssysteme beschreiben lassen.
-
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann das Bauteil ein elementares Bauelement, ein aus mehreren Elementen zusammengesetztes Teil oder ein vollständiges Gerät, eine vollständige Maschine oder ein vollständiger Apparat sein. Ebenso kann das Bauteil dabei einen Steuerungs- und/oder Regelungsmechanismus umfassen, welcher beispielsweise in Hard- oder Software, das heißt durch eine entsprechende Programmierung, realisiert oder realisierbar ist. Die Simulation des Bauteils kann also eine Simulation eines Steuerungs- und/oder Regelungsprogramms ebenso umfassen, wie beispielsweise mechanische, elektromagnetische und/oder thermische Verhaltensweisen und/oder Einflüsse und/oder Wechselwirkungen des Bauteils. Insbesondere kann das Bauteil in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Umgebung oder Umgebungsbedingung, das heißt also unter Einbeziehung von Wechselwirkungen mit dieser Umgebung oder Umgebungsbedingung und/oder anderen Bauteilen simuliert werden.
-
Da die vorliegende Erfindung von einem bereits erzeugten oder vorhandenen Finite-Elemente-Modell ausgeht und das reduzierte Modell unmittelbar aus diesem abgeleitet ist, muss vorteilhaft also kein separates, eigenständiges, echtzeitfähiges Modell des Bauteils manuell erzeugt werden. Dies kann vorteilhaft sowohl die Handhabung des Modells beziehungsweise der Modelle ebenso wie einen Entwicklungs- oder Weiterentwicklungsprozess des Bauteils vereinfachen und/oder beschleunigen. Die ist neben dem geringeren für das reduzierte Modell notwendigen Rechenaufwand insbesondere darin begründet, dass der herkömmlicherweise notwendige immense Aufwand entfallen kann, zwei eigenständige, unabhängige Simulationsmodelle zueinander konsistent zu halten.
-
Zudem können durch das verwendete Modell- beziehungsweise Modellordnungsreduktionsverfahren vorteilhaft ein oder mehrere Optimalitätskriterien garantiert werden. Die Einhaltung oder Umsetzung dieser Optimalitätskriterien ist bei einer unabhängigen, manuellen Erzeugung eines einfacheren Modells für Echtzeitsimulationen zusätzlich zu einem bereits vorhandenen detaillierten Finite-Elemente-Modell wenn überhaupt nur mit enormem Aufwand zu erreichen und nachzuweisen. Ein derartiges Optimalitätskriterien kann beispielsweise sein, dass in dem Detailmodell und in dem reduzierten Modell zumindest an bestimmten Punkten oder Knoten bestimmte Eigenschaften oder Parameter des Bauteils beziehungsweise beider Modelle identisch sind, beide Modelle also dieselben Verhaltensweisen aufweisen oder angeben. Durch die Simulation des Bauteils in Echtzeit kann vorteilhaft ein besseres Verständnis seines Verhaltens, der relevanten physikalischen Phänomene und Zusammenhänge ermöglicht sowie ein Zeitaufwand zur Analyse, Weiterentwicklung und/oder Optimierung des Bauteils minimiert werden.
-
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen das komplexitätsreduzierte Modell und das Detailmodell an den Stellen der Auswahlpunkte identische Werte zumindest eines Parameters auf. Der Parameter kann dabei insbesondere eine Schwingungsamplitude und/oder eine Temperatur und/oder ein Gradient davon sein. Mit anderen Worten liefert also eine Berechnung oder Simulation des Bauteils mittels oder auf Basis des Detailmodells als Lösung an diesen Punkten oder Knoten denselben Parameterwert beziehungsweise dieselben Parameterwerte wie eine entsprechende Berechnung oder Simulation des Bauteils mittels oder auf Basis des komplexitätsreduzierten Modells. Hierdurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass die Simulation des Bauteils beziehungsweise die entsprechenden Simulationsergebnisse oder Vorhersagen für beide Modelle gültig und relevant sind. Dies ermöglicht es also, den zur Berechnung oder Simulation des Detailmodells notwendigen Rechen- und Zeitaufwand einzusparen und stattdessen das Bauteil auf Basis des komplexitätsreduzierten Modells zu simulieren und dennoch hieraus für das Detailmodell und letztlich das reale Bauteil relevante Aussagen oder Ergebnisse gewinnen oder ableiten zu können. Die Bedingung, dass beide Modelle an den Auswahlpunkten beziehungsweise an den Stellen der Auswahlpunkte identische Parameterwerte aufweisen oder liefern, kann durch eine entsprechende Anpassung des Modellreduktionsverfahrens oder durch Vorgabe dieser Bedingung als Randbedingung für das Modellreduktionsverfahrens realisiert, das heißt sichergestellt werden.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden aus dem Detailmodell und/oder aus einer Entwicklungs- und/oder Berechnungsumgebung, in der das Detailmodell entwickelt, berechnet und/oder bereitgestellt wird, Daten exportiert und zusammen mit dem komplexitätsreduzierten Modell in die Echtzeitsimulationsanwendung importiert. Diese Daten können beispielsweise Referenz- oder Metadaten sein, welche einen Abgleich oder eine Synchronisierung oder ein in-Bezugsetzen des reduzierten Modells mit dem Detailmodell oder umgekehrt ermöglichen oder erleichtern. Hierdurch können vorteilhaft Ergebnisse, Eigenschaften, Lösungen und/oder Veränderungen des reduzierten Modells besonders einfach auf das Detailmodell übertragen werden. Die Daten können beispielsweise Koordinaten der Auswahlpunkte, ein entsprechendes Koordinatensystem und/oder ein statisches Abbild, beispielsweise eine Gitternetzstruktur, des Bauteils im Detailmodell umfassen. Hierdurch kann besonders vorteilhaft in der Echtzeitsimulationsanwendung nicht nur das reduzierte Modell, sondern diesem überlagert auch das in dem oder für das Detailmodell verwendete Koordinatensystem und/oder eine detaillierte statische Repräsentation des Bauteils aus dem Detailmodell dargestellt werden. Dies erlaubt es vorteilhaft, das reduzierte Modell besonders anschaulich und intuitiv zu verstehen und mit dem Detailmodell in Verbindung zu bringen. Beispielsweise kann eine Skalierung eines der Modelle oder eine Koordinatenkonversion zwischen den Modellen entfallen, da für beide Modelle dieselben Koordinaten beziehungsweise dasselbe Koordinatensystem verwendet werden können.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Auswahlpunkte automatisch anhand eines vorgegebenen Kriteriums ausgewählt. Das Kriterium kann beispielsweise von einer Bedienperson vorgegeben werden, beispielsweise gemäß jeweiligen individuellen oder situationsabhängigen Ansprüchen oder Gegebenheiten. Die Vorgabe des Kriteriums kann dabei standardisiert, einfacher, schneller und/oder zuverlässiger erfolgen als die - grundsätzlich ebenfalls alternativ mögliche - manuelle Auswahl oder Bestimmung der Auswahlpunkte. Durch das Kriterium können beispielsweise solche Auswahlpunkte automatisch ausgewählt oder bestimmt werden, welche besonders relevant sind, bestimmte Eigenschaften aufweisen und/oder eine bestimmte Bedingung erfüllen.
-
Beispielsweise können durch ihre räumliche Lage oder Anordnung in oder an dem Bauteil ausgezeichnete Punkte als Auswahlpunkte bestimmt werden. So können automatisch beispielsweise jeweilige End- und/oder Verbindungspunkte einzelner Teile oder Teilelemente des Bauteils als Auswahlpunkte ausgewählt werden. Am Beispiel eines mobilen C-Bogen-Röntgengeräts können dies beispielsweise jeweilige Endpunkte des C-Bogens und/oder ein Verbindungspunkt zwischen dem C-Bogen und einem Eintank sein.
-
Besonders bevorzugt kann als das Kriterium verwendet werden, dass an den Auswahlpunkten zumindest ein vorgegebener Parameter, insbesondere eine Schwingungsamplitude und/oder eine Temperatur und/oder ein Gradient davon, seine größten Werte aufweist. Mit anderen Worten können also automatisch diejenigen Punkte des Detailmodells als Auswahlpunkte ausgewählt, das heißt festgelegt oder bestimmt, an welchen über das gesamte Detailmodell hinweg die größten Veränderungen oder Werte, insbesondere für Änderungsgeschwindigkeiten oder Veränderungsumfänge, eines oder mehrerer vorgegebener Parameter beziehungsweise Parameterwerte vorliegen oder auftreten. Dabei kann außer dem Kriterium auch die zu verwendende oder auszuwählende Anzahl von Auswahlpunkten vorgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann als Kriterium beispielsweise ein Wertebereich oder Intervall von Parameterwerten eines oder mehrerer Parameter vorgegeben werden, sodass automatisch solche Punkte des Detailmodells als Auswahlpunkte ausgewählt werden, an denen die entsprechenden Parameterwerte in dem vorgegebenen Wertebereich oder Intervall liegen.
-
Durch die Vorgabe des Kriteriums und die automatische Auswahl der Auswahlpunkte kann das reduzierte Modell besonders einfach, schnell und automatisiert erzeugt werden und besonders relevante oder aussagekräftige Ergebnisse liefern. Beispielsweise kann ein Grenzwert für eine Schwingungs- oder Vibrationsamplitude oder -stärke oder eine Temperatur vorgegeben werden. Das reduzierte Modell zeigt und simuliert dann genau diejenigen Punkte oder Bereiche des Bauteils, in denen oder an denen der oder die vorgegebenen Grenzwerte überschritten werden. Dies ermöglicht es also, besonders einfach und gezielt mögliche Problemzonen oder Belastungsbereiche des Bauteils aufzufinden und zu analysieren. Hierdurch kann besonders einfach und gezielt beispielsweise die Stabilität und Sicherheit des Bauteils verbessert werden, insbesondere ohne dass auch die übrigen Punkte oder Bereiche des Bauteils beziehungsweise des Detailmodells, in oder an denen keine derartigen Belastungen auftreten, berechnet oder simuliert werden müssten.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird als die Echtzeitsimulationsanwendung eine virtuelle Umgebung verwendet und das Bauteil auf Basis des komplexitätsreduzierten Modells in dieser virtuellen Umgebung interaktiv simuliert. Mit anderen Worten wird das Bauteil also als interaktives Modell in einer virtuellen Realität simuliert (virtual reality model). Eine interaktive Simulation oder eine Simulation als interaktives Modell bedeutet dabei, dass eine Bedienperson, insbesondere in Echtzeit, Einfluss auf das Modell nehmen oder ausüben kann und eine korrekte Reaktion des Modells beziehungsweise des virtuell simulierten Bauteils berechnet, simuliert und der Bedienperson verzögerungsfrei angezeigt oder dargestellt wird. Dabei können auch vorteilhaft Feedbackmethoden, beispielsweise zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung, eingesetzt werden. Dadurch kann das Verhalten oder die Reaktion des Bauteils beziehungsweise des Modells für die Bedienperson nicht nur optisch, sondern beispielsweise auch haptisch wahrnehmbar gemacht werden.
-
Die Bedienperson kann durch die Interaktivität der Simulation das Modell beziehungsweise die simulierten physikalischen Phänomene vorteilhaft nicht nur beobachten, sondern auch aktiv und verzögerungsfrei beeinflussen. Durch die Simulation des Bauteils in der virtuellen Realität (VR-Umgebung) kann die Bedienperson beziehungsweise ein Benutzer die Simulation immersiv erleben und auf diese Weise die simulierten physikalischen Phänomene und Zusammenhänge einfacher, schneller, besser und detaillierter verstehen, als bei einer herkömmlichen Darstellung, beispielsweise mittels eines Bildschirms.
-
Besonders bevorzugt sind dabei unterschiedliche Interaktions- und Bedienmöglichkeiten für den jeweiligen Benutzer vorgesehen, um das im virtuellen Raum, also in der VR-Umgebung, dargestellte Modell oder Bauteil beeinflussen oder manipulieren zu können. So kann beispielsweise durch besonders einfache und intuitive Gesten das Modell beziehungsweise Bauteil beispielsweise im virtuellen Raum in drei Dimensionen bewegt, insbesondere rotiert, werden. Ebenso kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Benutzer eine Anregung, beispielsweise einen Kraftvektor oder ein Drehmoment definieren oder vorgeben kann, welcher beziehungsweise welches beispielsweise an einem Punkt oder einer Verbindung von zwei Punkten des reduzierten Modells angreift. Hierfür können beispielsweise bekannte handgeführte Controller für Virtual-Reality-Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise kann der Benutzer besonders einfach durch Bewegen des Controller im realen Raum eine Linie im virtuellen Raum der Simulation vorgeben, wobei ein Anfangs- oder Endpunkt der Linie einen Ansatzpunkt einer Anregungskraft an dem Modell vorgibt, eine Richtung der Linie einer Wirkrichtung der Kraft entspricht und die Länge der Linie einen Absolutwert oder Betrag der Kraft festlegt. Eine Auswirkung dieser durch den Benutzer vorgegebenen Kraft auf das Modell beziehungsweise Bauteil wird dann unmittelbar in Echtzeit berechnet und, beispielsweise durch Vibration der Knotenpunkte des reduzierten Modells in der VR-Umgebung, dem Benutzer illustriert, also veranschaulicht. Dieses unmittelbare Miterleben der physikalischen Phänomene im dreidimensionalen virtuellen Raum in Echtzeit ermöglicht dem Benutzer ein besonders schnelles, intuitives und anschauliches Verständnis des Verhaltens des simulierten Bauteils.
-
Eine Temperatur oder ein Temperaturgradient des Bauteils kann beispielsweise an den für das reduzierte Modell ausgewählten Auswahlpunkten und/oder deren Verbindungen farblich illustriert werden, wobei beispielsweise eine intuitiv verständliche Farbskala verwendet werden kann, auf welcher eine rote Farbe einen wärmeren Bereich anzeigt als eine blaue Farbe. Ein Temperaturverlauf innerhalb des Bauteils kann beispielsweise durch eine Interpolation der Farbtöne zwischen verschiedenen Auswahlpunkten des reduzierten Modells veranschaulicht werden. Diese Interpolation der Farbtöne kann dabei vorteilhaft ebenfalls in Echtzeit verzögerungsfrei durchgeführt werden. Es ist dabei möglich, dass der Benutzer in der VR-Umgebung beispielsweise an einem oder mehreren der Auswahlpunkte eine Wärmequelle vorgibt, deren Einfluss auf andere Bereiche des Bauteils durch eine entsprechend dynamische Farbdarstellung der anderen Auswahlpunkte und/oder der entsprechenden Verbindungen dargestellt wird. Auch zur Definition oder Vorgabe einer solchen Wärmequelle kann vorteilhaft beispielsweise besonders einfach eine entsprechende Bediengeste mit einem physischen Controller oder Bediengerät oder beispielsweise einer Hand verwendet werden. Dabei kann durch eine Länge oder einen Umfang der entsprechenden Bediengeste beispielsweise eine Temperatur oder Stärke der Wärmequelle vorgegeben oder repräsentiert werden.
-
Besonders bevorzugt ist die Darstellung oder Repräsentation des Bauteils beziehungsweise Modells in der VR-Umgebung dabei nicht an reale physische beziehungsweise physikalische Beschränkungen des realen Bauteils gebunden, sodass vorteilhaft beispielsweise Reaktionen oder Verhaltensweisen, wie beispielsweise Vibrationen des Bauteils, gegenüber den entsprechenden realen Werten stärker oder überhöht dargestellt werden können, um eine verbesserte Sichtbarkeit zu erreichen. Ebenso können beispielsweise real nicht sichtbare Phänomene, wie etwa elektromagnetische Felder oder Feldstärken, in der VR-Umgebung vorteilhaft sichtbar gemacht werden.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Verhalten des Bauteils in der Simulation auf Basis des komplexitätsreduzierten Modells automatisch erfasst und ausgewertet wird. Anhand dieses Verhaltens und/oder eines entsprechenden Auswerteergebnisses wird dann automatisch ein Anpassungswert bestimmt. Anschließend wird das Detailmodell auf Basis oder mittels des Anpassungswertes automatisch angepasst. Aus diesem derart angepassten Detailmodell wird dann automatisch ein ebenfalls entsprechend angepasstes komplexitätsreduziertes Modell generiert, welches dann in die Echtzeitsimulationsanwendung importiert wird. Mit anderen Worten kann also vollständig automatisiert das erfindungsgemäße Verfahren ganz oder teilweise iterativ durchlaufen oder durchgeführt werden. Dies ermöglicht es vorteilhaft, mit besonders geringem Zeit- und Berechnungsaufwand das Bauteil beziehungsweise ein Verhalten des Bauteils anzupassen, insbesondere hinsichtlich eines vorgegebenen Kriteriums und/oder Parameters zu optimieren.
-
So kann beispielsweise ein Zielwert und/oder ein Grenz- oder Schwellenwert - beispielsweise für eine Temperatur oder Schwingungsamplitude - vorgegeben werden. Es kann dann automatisch bestimmt werden, ob es in dem reduzierten Modell Punkte oder Bereiche gibt, an denen eine jeweilige Temperatur oder Schwingungsamplitude oberhalb des vorgegebenen Grenz- oder Schwellenwertes liegt. Ist dies der Fall, so kann beispielsweise gezielt oder zufällig eine Veränderung der Konstruktion oder Auslegung des Bauteils vorgenommen werden, beispielsweise durch Veränderung oder Anpassung einer Dämpfung, durch Auswahl und Verwendung eines anderen Materials, durch Änderung einer Haltekraft oder eines Verbindungsmittels, beispielsweise durch Anpassung eines Schraubendurchmessers oder dergleichen, durch eine Verschiebung eines Lager- oder Aufhängungspunktes oder dergleichen mehr. Für diese Veränderungen oder Anpassungen können dabei entsprechende Regeln oder Kriterien vorgegeben werden, beispielsweise durch Vorgabe einer Liste oder Tabelle verfügbarer Bauteile, Bauelemente, Spezifikationen und/oder dergleichen mehr.
-
Besonders vorteilhaft kann so automatisch ein optimiertes Bauteil erzeugt werden, ohne dass hierfür jeweils das vollständige Detailmodell rechnen- und zeitaufwendig in jedem Anpassungsschritt durchgerechnet oder simuliert werden müsste. Es können also Erkenntnisse aus der Echtzeitsimulation des reduzierten Modells zurückfließen in das Detailmodell, wobei hier in besonderem Maße der Vorteil der vorliegenden Erfindung zum Tragen kommt, dass nicht zwei eigenständige, voneinander unabhängige Simulationsmodelle verwendet werden und manuell konsistent gehalten werden müssen.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird aus dem Detailmodell automatisch eine Schar mehrerer komplexitätsreduzierter Modelle generiert, welche sich in zumindest einem Parameter voneinander unterscheiden. Dies ist anschaulich vergleichbar mit einer Kurven- oder Funktionsschar von Kurven, deren Abbildungsvorschriften sich in mindestens einem Parameter unterscheiden. Der Parameter, in dem sich die generierten Modelle unterscheiden, kann beispielsweise in einem vorgegebenen Intervall oder Wertebereich automatisch variiert werden. Besonders vorteilhaft können die generierten Modelle dann nacheinander oder gleichzeitig in der Echtzeitsimulationsanwendung simuliert, insbesondere einem Benutzer dargestellt werden. Dies ermöglicht es besonders vorteilhaft, besonders schnell, einfach und anschaulich problematische und günstige Werte oder Wertebereiche des jeweiligen Parameters zu erkennen. Je nach simuliertem Bauteil kann der Parameter unterschiedlich gewählt werden. So kann beispielsweise durch den Parameter ein Material des Bauteils oder eines Elements des Bauteils, eine Federstärke, eine elektrische Leistung, eine Drehzahl, eine Magnetfeldstärke, eine Größe eines Elements des Bauteils, wie etwa eine Radgröße, und/oder eine Vielzahl weiterer Eigenschaften des Bauteils variiert werden. Durch die Verwendung komplexitätsreduzierter Modelle können so vorteilhaft vielfältige Varianten des Bauteils analysiert werden, ohne dass hierfür jeweils auch sämtliche übrigen Elemente oder Bereiche des Bauteils in dem Detailmodell simuliert oder berechnet werden müssten. Hierdurch kann eine signifikante Zeitersparnis erzielt werden.
-
Ein erfindungsgemäßes Speichermedium umfasst oder enthält einen Programmcode, der dazu eingerichtet ist, bei seiner Ausführung durch eine Prozessoreinrichtung einer Datenverarbeitungseinrichtung zumindest eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
-
Eine erfindungsgemäße Simulationsvorrichtung zum Simulieren zumindest eines Bauteils eines medizinischen Geräts umfasst eine Modellerzeugungseinrichtung, eine Importeinrichtung und eine Simulationseinrichtung. Die Modellerzeugungseinrichtung ist dabei eingerichtet zum Generieren eines komplexitätsreduzierten Modells des Bauteils auf Basis von Auswahlpunkten, welche aus einer Vielzahl von Punkten eines bereitgestellten Detailmodells des Bauteils ausgewählt sind. Die Importeinrichtung ist eingerichtet zum Importieren des komplexitätsreduzierten Modells in eine, insbesondere durch die Simulationsvorrichtung ausgeführte, Echtzeitsimulationsanwendung. Die Simulationseinrichtung ist eingerichtet zum Simulieren des Bauteils auf Basis des komplexitätsreduzierten Modells in Echtzeit in der Echtzeitsimulationsanwendung. Die Simulationsvorrichtung kann beispielsweise eine Recheneinrichtung, insbesondere ein Computer, sein oder umfassen. Die Modellerzeugungseinrichtung, die Importeinrichtung und/oder die Simulationseinrichtung können jeweils beispielsweise einen oder mehrere Schaltkreise, Mikrocontroller und/oder Prozessoreinrichtungen umfassen.
-
Die bisher und im Folgenden angegebenen Eigenschaften und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die entsprechenden Vorteile sind jeweils sinngemäß auf das erfindungsgemäße Speichermedium und/oder die erfindungsgemäße Simulationsvorrichtung und/oder zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete oder verwendbare Bauteile und Einrichtungen übertragbar und umgekehrt. Es gehören also zu der Erfindung auch solche Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Speichermediums und der erfindungsgemäßen Simulationsvorrichtung, welche Ausgestaltungen aufweisen, die hier nicht explizit in der jeweiligen Kombination beschrieben sind.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 ein beispielhaftes Schema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Simulieren eines Bauteils;
- 2 eine schematische Perspektivansicht eines Detailmodells eines medizinischen Geräts;
- 3 eine schematische Perspektivansicht eines komplexitätsreduzierten Modells des medizinischen Geräts aus 2, wobei das Detailmodell aus 2 zum Vergleich angedeutet ist; und
- 4 eine schematische und ausschnittweise Perspektivansicht der Darstellung aus 3, bei der das komplexitätsreduzierte Modell mittels eines Bediengeräts beeinflusst wird.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren sind gleiche, funktionsgleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt beispielhaft ein Verfahrensschema 1 eines Verfahrens zum Simulieren zumindest eines Bauteils, insbesondere eines medizinischen Geräts. Ausgangspunkt ist dabei eine Entwicklungsumgebung 2, bei der es sich insbesondere um eine Finite-Elemente-Entwicklungsumgebung oder -Berechnungsumgebung handeln kann. Ein Beispiel für eine derartige Entwicklungsumgebung 2 kann beispielsweise die Software ANSYS sein. In oder mittels der Entwicklungsumgebung 2 wird ein Detailmodell 3 des Bauteils, insbesondere ein Finite-Elemente Modell des Bauteils erzeugt und/oder bereitgestellt. Ausgehend hiervon wird mittels einer Modellordnungsreduktion 4 ein reduziertes Modell 5 desselben Bauteils erzeugt oder generiert. Dazu kann beispielsweise ein Differenzialgleichungssystem, insbesondere ein Zustandsraummodell (State-Space Modell), welches das durch das Detailmodell 3 abgebildete oder modellierte Bauteil beziehungsweise dessen physikalisches System beschreibt, aus der Entwicklungsumgebung 2 exportiert werden. Es kann beispielsweise eine als SPMWRITE bekannte Funktion der Software ANSYS verwendet werden, um das Zustandsraummodell - beispielsweise als beziehungsweise in eine Textdatei - zu exportieren.
-
Das Zustandsraummodell basiert dabei auf Auswahlpunkten 12 (vergleiche 3), welche aus einer Vielzahl von Punkten oder Knoten des Detailmodells 3 ausgewählt sind. Dementsprechend umfasst das reduzierte Modell 5 mit den Auswahlpunkten 12 eine signifikant geringere Anzahl von Punkten oder Knoten als das Detailmodell 3. Zusätzlich zu der Erzeugung oder Generierung des reduzierten Modells 5 werden aus der Entwicklungsumgebung 2 beziehungsweise dem Detailmodell 3 weitere Daten, insbesondere jeweilige Koordinaten der Auswahlpunkte 12 für das reduzierte Modell 5 - beispielsweise ebenfalls als oder in eine Textdatei - exportiert. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise auch ein statisches Gittermodell 11 (vergleiche 3) erzeugt beziehungsweise exportiert werden. Das reduzierte Modell 5, beziehungsweise das Zustandsraummodell, gegebenenfalls einschließlich der Koordinaten der Auswahlpunkte 12, kann beispielsweise ein Vibrationsverhalten des durch das reduzierte Modell 5 und das Detailmodell 3 beschriebenen Bauteils angeben.
-
Da die hochaufgelöste Berechnung oder Simulation des Detailmodells 3 rechen- und zeitaufwendig und damit auch kostenintensiv ist, ist die reduzierte Komplexität des reduzierten Modells 5 aufgrund seiner im Vergleich zu dem Detailmodell 3 geringeren Auflösung hinsichtlich einer Handhabbarkeit und eines entsprechend reduzierten Berechnungsaufwandes besonders vorteilhaft. Aufgrund seiner hohen Auflösung und Komplexität ist das Detailmodell 3 nicht für eine Simulation in Echtzeit mit heutzutage verfügbarer Berechnungshardware geeignet. Bei bisherigen bekannten Verfahren wurde daher der Ansatz verfolgt, für Echtzeitsimulationen ein separates, eigenständiges, vereinfachtes Modell zu erstellen, welches also von dem Detailmodell vollständig unabhängig ist.
-
Im Gegensatz dazu ist es vorliegend vorgesehen, dass das reduzierte Modell 5 mittels eines Imports 6 in eine Echtzeitsimulationsumgebung oder -anwendung 7 importiert wird. Hierbei können beispielsweise beide zuvor erwähnte Textdateien, das heißt also das Zustandsraummodell und die Koordinaten der Auswahlpunkte, sowie gegebenenfalls das statische Gittermodell 11 in die Echtzeitsimulationsanwendung 7 importiert werden.
-
Der Import 6 des reduzierten Modells 5 in die Echtzeitsimulationsanwendung 7 stellt dabei keine üblicherweise vorhandene Standardfunktionalität solcher Echtzeitsimulationsanwendungen 7 dar, kann jedoch beispielsweise mittels bekannter Programmiermethoden und gegebenenfalls numerischer Integrationsmethoden realisiert werden.
-
In der Echtzeitsimulationsanwendung 7 liegt nach dem Import 6 das reduzierte Modell 5 als Echtzeitsimulationsmodell 8 vor und kann dort in Echtzeit simuliert werden. Bei der Echtzeitsimulationsanwendung 7 kann es sich beispielsweise um die Entwicklungsumgebung Unity handeln.
-
In der Echtzeitsimulationsanwendung 7 kann das Echtzeitsimulationsmodell 8 in Echtzeit und bevorzugt in einer virtuellen Realität berechnet, das heißt also simuliert werden.
-
Die Simulation beziehungsweise Darstellung des Echtzeitsimulationsmodells 8 in der Echtzeitsimulationsanwendung 7 ermöglicht es einem Benutzer, bevorzugt interaktiv, das derart modellierte beziehungsweise dargestellte reduzierte Modell 5 in Form des Echtzeitsimulationsmodell 8 zu untersuchen. Dem Benutzer kann beispielsweise eine Lösung des Zustandsmodells grafisch illustriert dargestellt werden, indem die Punkte des reduzierten Modells 5, also die Auswahlpunkte 12, der Lösung entsprechend oszillieren, das heißt lösungsgemäß oszillierend dargestellt werden.
-
Schematisch angedeutet ist die Interaktivität beziehungsweise Interaktionsfähigkeit des Echtzeitsimulationsmodell 8 hier als Interaktion 9. Dabei wird also beispielsweise eine die Interaktion 9 darstellende Bedienhandlung einer Bedienperson beziehungsweise des Benutzers ausgewertet und die entsprechenden Auswirkungen auf das simulierte Bauteil in Echtzeit berechnet, simuliert und dargestellt. Ein Beispiel einer solchen Bedienhandlung wird im Zusammenhang mit 4 erläutert.
-
2 zeigt als Beispiel für das Detailmodell 3 ein detailliertes Finite-Elemente-Modell eines C-Bogens 10 in schematischer Perspektivansicht. In diesem Fall stellt also der gesamte C-Bogen 10 das simulierte Bauteil dar. Für den C-Bogen 10 sollen beispielsweise Vibrationen durch von außen an diesen angreifende oder auf diesen einwirkende Kraftimpulse besser verstanden werden, um beispielsweise Gegenmaßnahmen entwickeln zu können. Um hier den dafür notwendigen Zeit- und Berechnungsaufwand zu verringern, wird nicht dieses Detailmodell 3 des C-Bogens 10 vollständig simuliert. Stattdessen wird ein reduziertes Modell 5 des C-Bogens 10 erzeugt, welches in 3 in schematischer Perspektivansicht dargestellt ist.
-
Das schematisch in 3 dargestellte komplexitätsreduzierte Modell 5 des C-Bogens 10 umfasst vorliegend beispielsweise zehn Auswahlpunkte 12 sowie deren Verbindungen 13. An diesen Auswahlpunkten 12 des reduzierten Modells 5 sind beispielsweise jeweilige Schwingungsamplituden und Frequenzen identisch zu den Schwingungsamplituden und Frequenzen an den entsprechenden Punkten des Detailmodells 3. Zum Vergleich oder als Referenz ist hier zusätzlich schematisch das statische Gittermodell 11 des C-Bogens 10 angedeutet, welches jedoch nicht zu dem reduzierten Modell 5 gehört und hier lediglich der Veranschaulichung dient. Es ist unmittelbar einsichtig, dass das reduzierte Modell 5 des C-Bogens 10 mit signifikant geringerem Rechenaufwand berechenbar und simulierbar ist als das in 2 dargestellte Detailmodell 3.
-
4 zeigt eine schematische und ausschnittweise Perspektivansicht der Darstellung aus 3. Zusätzlich dargestellt ist hier ein Controller 14, welcher beispielsweise von dem Benutzer beziehungsweise der Bedienperson gehandhabt werden kann, um mit dem in der virtuellen Realität als Echtzeitsimulationsmodell 8 dargestellten reduzierten Modell 5 zu interagieren. Mittels des Controllers 14 kann der Benutzer beispielsweise durch einfache Bediengesten Anregungen des Echtzeitsimulationsmodells 8 vorgeben, um dann unmittelbar, das heißt verzögerungsfrei in Echtzeit, und besonders anschaulich eine Vibrationsantwort des Echtzeitsimulationsmodells 8 zu beobachten beziehungsweise zu untersuchen.
-
Vorliegend wird beispielsweise mittels des Controllers 10 eine Kraft vorgegeben, welche auf einen der Auswahlpunkte 12 einwirken soll, welcher hier dementsprechend als Angreifpunkt 15 bezeichnet ist. Durch entsprechende Bewegung und Bedienung des Controllers 14 kann die Bedienperson beispielsweise einen - hier schematisch als Linie angedeuteten - Kraftvektor 16 vorgeben, durch den der Angreifpunkt 15, die Richtung der wirkenden Kraft und deren Betrag festgelegt werden. Zusätzlich oder alternativ zu mechanischen Anregungen beziehungsweise Schwingungs- oder Vibrationsuntersuchungen können beispielsweise auch thermische Effekte oder Wärmeeinflüsse, das heißt also ein Temperaturverhalten des simulierten Bauteils untersucht werden. Obwohl es für eine dabei anzuwendende thermische Modellordnungsreduktion eines entsprechenden detaillierten Modells in ein entsprechendes Zustandsraummodell oder in mehrere Zustandsraummodelle üblicherweise keine vorgegebene Standardfunktionalität in herkömmlichen bekannten Entwicklungsumgebungen 2 gibt, kann ein zu dem beschriebenen Verfahren für den mechanischen Anwendungsfall analoges Vorgehen implementiert werden.
-
Dementsprechend kann also auch für den Anwendungsfall aus dem Bereich der Thermik - oder für andere physikalische Domänen - jeweils ein reduziertes Zustandsraummodell erzeugt, beispielsweise als Textdatei, exportiert und in die Echtzeitsimulationsanwendung 7 importiert werden. Durch das reduzierte Zustandsraummodell im thermischen Anwendungsfall wird dementsprechend also ein thermisches Verhalten des simulierten beziehungsweise modellierten Bauteils, zumindest aber des entsprechenden reduzierten Modells 5, beschrieben. Dabei können aus der Entwicklungsumgebung 2 beziehungsweise dem Detailmodell 3 beispielsweise zusätzlich zu den jeweiligen Koordinaten der Auswahlpunkte 12 Daten wie etwa eine Umgebungstemperatur und/oder eine Temperatureinheit exportiert werden.
-
Insgesamt ist somit gezeigt, wie ein Modellordnungsreduktionsverfahren vorteilhaft im Zusammenhang mit einer Echtzeitanwendung oder Echtzeitanwendungsentwicklungsumgebung, insbesondere in Verbindung mit Funktionen der virtuellen Realität zur Simulation eines Bauteils angewendet werden kann.
